Взаимодействие двух круговых цилиндров в идеальной жидкости

Аннотация

Рассматривается задача о плоскопараллельном движении двух круговых цилиндров в идеальной безвихревой несжимаемой жидкости. Предполагается, что циркуляции вокруг цилиндров равны по величине и противоположны по знаку. Отдельно рассмотрены частные (ограниченные) постановки задачи, когда циркуляции вокруг цилиндров равны нулю, а цилиндры движутся вдоль неподвижной прямой. Эти постановки родственны аналогичным задачам о взаимодействии в жидкости двух сфер, восходящих к Карлу и Вильгельму Бьёркнесам, Г. Ламбу и Н.Е. Жуковскому.
Введена новая предельная постановка задачи, для которой радиусы цилиндров стремятся к нулю (а циркуляции и массы цилиндров - ненулевые). Указано ее сведение к задаче о движении частицы в поле потенциальных и гироскопических сил. Найден новый интегрируемый случай полученных уравнений. В качестве обобщения этой предельной постановки задачи получены гамильтоновы уравнения движения произвольного числа так называемых массовых вихрей (бесконечно тонких цилиндров, обладающих произвольными массами и циркуляциями). Эти уравнения обобщают классические уравнения Кирхгофа, описывающие движения n-точечных вихрей (вихревых нитей) на плоскости. Указаны первые интегралы полученных уравнений движения.

Ключевые слова: идеальная жидкость, циркуляция, твердое тело, качественный анализ.

Полнотекстовая версия

A.V. Borisov, I.S. Mamaev, S.M. Ramodanov. Interaction of two circular cylinders in a perfect fluid. Rus. J. Nonlin. Dyn., 2005, V.1, №1, p. 3-21

Abstract

In this paper we consider the system of two 2D rigid circular cylinders immersed in an unbounded volume of inviscid perfect fluid. The circulations around the cylinders are assumed to be equal in magnitude and opposite in sign. Special cases of this system (the cylinders move along the line through their centers and the circulation around each cylinder is zero) are considered. A similar system of two interacting spheres was originally considered in classical works of Carl and Vilhelm Bjerknes, G. Lamb and N.E. Joukowski.
By making the radii of the cylinders infinitesimally small, we have obtained a new mechanical system which consists of two regular point vortices but with non-zero masses. The study of this system can be reduced to the study of the motion of a particle subject to potential and gyroscopic forces. A new integrable case is found. The Hamiltonian equations of motion for this system have been generalized to the case of an arbitrary number of mass vortices with arbitrary intensities. Some first integrals have been obtained. These equations expand upon the classical Kirchhoff equations of motion for n point vortices.

Keywords: perfect fluid, circulation, rigid body, qualitative analysis.